Исследователи использовали мощные рентгеновские лучи в Advanced Light Source (ALS) лаборатории Беркли, чтобы наблюдать, как волокна чешуи карпа реагируют на воздействие нагрузки. Как они писали в своей статье, недавно опубликованной в журнале Matter, то, что они обнаружили, «вполне может послужить дополнительным источником вдохновения для разработки современных синтетических конструкционных материалов с беспрецедентной прочностью и сопротивлением проникновению."
«Структура биологических материалов просто завораживает», – сказал ведущий автор Роберт Ричи из отдела материаловедения лаборатории Беркли, который возглавлял эту работу вместе с Марком Мейерсом, профессором наноинженерии и машиностроения в Калифорнийском университете в Сан-Диего. "Нам нравится имитировать эти свойства в конструкционных материалах, но первый шаг – посмотреть, как это делает природа."
Рыбья чешуя имеет твердую внешнюю оболочку с более мягким внутренним слоем, жестким и пластичным. Когда что-то вроде зубов хищника пытается вонзиться в чешую, внешняя оболочка сопротивляется проникновению, но внутренняя должна поглощать всю избыточную нагрузку, чтобы чешуя оставалась единым целым. Как оно работает? Оказывается, волокна чешуи, состоящей из коллагена и минералов, имеют скрученную ориентацию, называемую структурой Булиганда.
Когда к материалу прикладывается напряжение, волокна последовательно вращаются, чтобы поглотить избыточную нагрузку.
"Это называется адаптивной переориентацией.
Это как умный материал », – сказал Ричи, который также является профессором материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Используя технику, называемую малоугловым рассеянием рентгеновских лучей, мы можем проследить за этим в реальном времени с помощью синхротрона. Мы облучаем его рентгеновскими лучами, и мы действительно можем видеть, как волокна вращаются и движутся."
С другой стороны, коллаген, из которого состоит человеческая кожа, «весь перепутан, как миска со спагетти, но он может распадаться и выравниваться, поглощая энергию, что делает кожу невероятно устойчивой к разрыву», – сказал Ричи.
Структура Bouligand в чешуе карпа гораздо более организована, но все же обеспечивает очень эффективный механизм закалки.
Другая примечательная характеристика чешуи карпа – это градиент между твердым и мягким слоями. "Если бы мы делали это как броню, у нас была бы граница раздела между твердым и мягким материалом. "Интерфейс – это неизменно место, где начинаются трещины и отказы", – сказал Ричи, эксперт по разрушениям материалов. "То, как это делает природа: вместо того, чтобы иметь эти интерфейсы, где есть разрыв между одним материалом и другим, природа создает идеальный градиент от твердого к мягкому (более жесткому) материалу."
Работая в сотрудничестве с исследователями Калифорнийского университета в Сан-Диего, команда ранее изучала арапайму, амазонскую пресноводную рыбу, чешуя которой настолько жесткая, что она недоступна для пираний, а также других видов.
Для этого исследования они выбрали карпа, современную версию древней целаканта, также известную своей чешуей, которая действует как броня.
Теперь, когда были охарактеризованы механизмы деформации и разрушения чешуи карпа, попытка воспроизвести эти свойства в инженерном материале является следующей задачей.
Ричи отметил, что достижения в области 3D-печати могут предоставить способ создания градиентов, как это делает природа, и, таким образом, сделать материал одновременно твердым и пластичным.
«Как только мы лучше научимся манипулировать 3D-печатью, мы сможем начать создавать больше материалов, изображающих природу», – сказал он.
ALS – это пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики. Работа поддержана грантом Управления научных исследований ВВС США.